河流溶质输移建模：整合速率限制吸附与降解过程的解析-数值耦合方法及其环境管理应用

本研究针对河流中溶质输移多过程耦合建模的难题，提出了一维解析-数值联合框架，整合了平流(advection)、速率限制吸附(rate-limited adsorption)、降解(degradation)及河床沉积-侵蚀动态。通过SWASHES开源库实现解析解验证，为瞬时/连续污染物排放场景提供高精度基准，填补了短周期河床溶质累积机制的认知空白，对水质评估与生态风险管理具有重要工具价值。

　　

河流作为人类活动和自然生态系统的交汇点，其水质安全直接关系到饮用水安全、农业灌溉和生物多样性维护。然而，污染物在河流中的迁移转化涉及平流(advection)、吸附(adsorption)到悬浮颗粒、河床沉积-侵蚀等多重物理化学过程的复杂耦合。传统模型多采用瞬时平衡吸附假设，忽略了实际环境中常见的速率限制吸附(rate-limited adsorption)动力学特性；同时，短期河床污染物累积机制的研究严重不足，这限制了突发污染事件应急响应和长期水质预测的准确性。

由法国国立技术研究协会(ANRT)资助的研究团队在《Environmental Modelling》发表的研究，构建了整合平流-速率限制吸附-降解耦合过程的一维数学模型。该研究创新性地推导出适用于瞬时和连续排放场景的解析解，并通过显式迎风一阶有限差分法(explicit upwind first-order finite difference scheme)进行数值验证。关键方法包括：(1)建立耦合溶解相/吸附相的质量平衡方程；(2)基于SWASHES开源平台实现解析解算法；(3)采用理想化河段(长度L=1000 m，空间步长Δx=L/(N_x-1))进行数值模拟对比。

Governing equations
模型通过三个控制方程描述溶质-沉积物相互作用：溶解相浓度方程包含平流项和速率限制吸附项(k_a, k_d为吸附/解吸速率常数)；吸附相方程考虑沉积物携带效应；河床质量平衡方程引入侵蚀(E)和沉积(D)通量。在忽略扩散的假设下，方程组呈现强对流主导特征。

Analytical and numerical solutions
在悬浮沉积物浓度恒定、无侵蚀-沉积通量的简化条件下，推导出四类解析解：瞬时排放（含/不含降解）和连续排放（含/不含降解）。解析解成功捕捉到吸附动力学导致的浓度双峰现象，数值解通过CFL(Courant-Friedrichs-Lewy)条件控制稳定性，空间离散采用N_x=501节点确保精度。

Results and discussion
瞬时排放模拟显示，吸附延迟效应使溶解相峰值滞后于吸附相；降解过程(λ_d, λ_s为溶解/吸附相降解率)显著降低远端污染物通量。连续排放情景中，河床累积量随吸附系数(K_D)增大呈非线性增长。数值与解析解的相对误差<1%验证了模型可靠性。

Conclusions
该研究通过解析-数值双轨验证，建立了首个整合速率限制吸附动力学的河流溶质输移通用框架。其创新性体现在：(1)突破传统瞬时吸附假设，更准确描述农药、重金属等慢吸附污染物行为；(2)量化河床作为"二次污染源"的潜在风险；(3)SWASHES实现的开源化为环境决策系统提供标准化工具。这项工作为复杂形态动力学条件下的溶质输移模拟奠定了理论基础，对欧盟水框架指令(WFD)达标评估具有重要实践意义。